逆向三維數(shù)字技術(shù)在復(fù)雜復(fù)合材料修理中的應(yīng)用

王祎 王哲峰 李志歆 王光大 閻超

摘要：以APU殼體修理為例，探索三維數(shù)字技術(shù)在復(fù)雜外形復(fù)合材料部件修理中的應(yīng)用，通過采用逆向工程和數(shù)字建模的方式，精確測(cè)繪出零件外形的數(shù)字模型，并根據(jù)此數(shù)字模型反向進(jìn)行模具加工，保障了模具與工件的配合尺寸。通過一次性成型模具，有效地保障了復(fù)合材料修理中外形尺寸的精確度，保證了粘接修理質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：3D數(shù)字技術(shù);復(fù)合材料修理;復(fù)雜外形

0 引言

復(fù)合材料具有比重小、比強(qiáng)度和比模量高、加工成型方便、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣等領(lǐng)域，近幾年更是得到了飛速發(fā)展，其中空客A350飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量52%，被認(rèn)為是復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例最大的客機(jī)。

復(fù)合材料在民用航空制造中的廣泛應(yīng)用也帶來了越來越多的問題。很多復(fù)合材料部件具有復(fù)雜的外形輪廓，進(jìn)行粘接修理時(shí)都會(huì)面臨成形困難的問題。本文以輔助動(dòng)力裝置（APU）殼體修理為例，探索三維數(shù)字技術(shù)在復(fù)雜外形復(fù)合材料部件修理中的應(yīng)用。

APU是飛機(jī)上重要的動(dòng)力部件，其進(jìn)氣腔體分為上下兩部分，與飛機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)相連。隨著APU使用年限的增加，因老化和意外損傷等原因造成APU殼體結(jié)構(gòu)損壞的數(shù)量在逐年增加，主要的損傷形式為復(fù)合材料損壞、連接緊固件松動(dòng)。APU殼體的損傷可能導(dǎo)致APU喘振等嚴(yán)重后果，并最終影響APU的整體性能。但APU殼體具有復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，給修理工作帶來很大困難。目前的維修中制作了大量的壓板作為模具，但這種壓板模具操作繁瑣，成型效果不佳，成功率低。為了提高APU整體產(chǎn)能，保證APU殼體修理的質(zhì)量與進(jìn)度，嘗試應(yīng)用三維數(shù)字技術(shù)進(jìn)行APU殼體測(cè)繪并建立數(shù)字模型，通過逆向分析，制作APU殼體的模具，以完成修理。

1 逆向測(cè)量及建模

利用海克斯康Global Silver12.22.10三坐標(biāo)測(cè)繪儀進(jìn)行工件點(diǎn)位的選取、測(cè)量、數(shù)據(jù)的收集與整理及建模。首先，按形狀設(shè)定基準(zhǔn)，按基準(zhǔn)設(shè)定點(diǎn)云點(diǎn)位。工件內(nèi)部曲面復(fù)雜，R角較多，點(diǎn)位需密集排列。其次，按設(shè)定的點(diǎn)云點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，內(nèi)部型面復(fù)雜、空間小，測(cè)量較困難。通過收集數(shù)據(jù)，按點(diǎn)位創(chuàng)建網(wǎng)格線，以網(wǎng)格線為龍骨建面。由于點(diǎn)位多、局部點(diǎn)位密集，建成的網(wǎng)格線多，建成的型面復(fù)雜。建成的模型如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)

為保證工裝輕量化、降低模具變形率及延長(zhǎng)使用壽命，模具主體材料選用耐高溫航空鋁7075鋁。7075鋁多用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其他要求高強(qiáng)度、強(qiáng)抗蝕性能的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件，其固溶處理后塑性好，熱處理強(qiáng)化效果好，在150℃以下有高的強(qiáng)度，且有好的低溫強(qiáng)度。由于復(fù)合材料修理時(shí)需要加熱固化，模具材料在高溫下必須保持較好的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還應(yīng)重量輕以便于移動(dòng)，因此選擇7075鋁。壓緊裝置參考緊固件通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為方便后續(xù)施工，采用模塊化加工再組合的設(shè)計(jì)方案，模具主要分成內(nèi)模、外模和底座，如圖2所示。由于復(fù)合材料損壞部位和損壞面積不可預(yù)測(cè)，工裝壓緊裝置需采用可調(diào)節(jié)、易拆卸、可局部壓緊也可全面壓緊的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括：GB 16754-2008—安全設(shè)計(jì)基礎(chǔ);GB/T 16938-2008—緊固件通用技術(shù)條件;GB700-88—碳素結(jié)構(gòu)鋼國家標(biāo)準(zhǔn);GB/T3880.2-2006—鋁合金國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 模具加工及檢驗(yàn)

加工及裝配圖紙共40份，其余零部件為標(biāo)準(zhǔn)件，依照國家標(biāo)準(zhǔn)選擇。根據(jù)圖紙、工藝單進(jìn)行加工，完成模具的模塊化加工，保證符合圖紙公差要求。對(duì)加工完成的零件進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，應(yīng)確保尺寸都在公差范圍內(nèi)。按照裝配圖紙完成零部件的裝配及調(diào)試工作，同時(shí)也需對(duì)加工、裝配、調(diào)試完成的工裝進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)。按工藝裝配樣件，配合尺寸均應(yīng)在0.5mm范圍內(nèi)。

4 模具驗(yàn)證

以APU上進(jìn)氣腔內(nèi)網(wǎng)分層和下進(jìn)氣腔體法蘭邊破損故障的修復(fù)為例，分別采用數(shù)字工裝模具和傳統(tǒng)壓板對(duì)模具安裝工時(shí)和一次性修復(fù)率進(jìn)行評(píng)估。

上進(jìn)氣腔體內(nèi)網(wǎng)分層返工次數(shù)見表1，模具裝配工時(shí)對(duì)比見圖3。下進(jìn)氣腔體邊緣破損返工次數(shù)見表2，模具裝配工時(shí)對(duì)比見圖4。

通過以上圖表的對(duì)比可知，上進(jìn)氣腔體內(nèi)網(wǎng)分層故障，工裝模具比傳統(tǒng)壓板的返工率低50%，模具裝配時(shí)間縮短0.55h;下進(jìn)氣腔體邊緣破損故障，工裝模具比傳統(tǒng)壓板的返工率低25%，模具裝配時(shí)間縮短4.5min。工裝模具在APU殼體的實(shí)際修理中明顯起到了縮短工作時(shí)間、降低返工率的作用，且由于上進(jìn)氣腔體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，使用工裝模具的修理效果更加顯著。

5 結(jié)論

對(duì)于復(fù)雜復(fù)合材料修理中遇到的成型困難，首次引入逆向工程技術(shù)和數(shù)字建模的方式，精確測(cè)繪出零件外形的數(shù)字模型，并根據(jù)此數(shù)字模型反向進(jìn)行模具加工，保障了模具與工件的配合尺寸。通過一次性成型模具，有效地保障了復(fù)合材料修理中外形尺寸的精確度，保證了粘接修理質(zhì)量。與以往通過手工制作夾具的方法相比，本方法一次性解決了此類部件粘接修理中夾持精確度問題，大大減少了修理準(zhǔn)備時(shí)間，提高了修理效率。

參考文獻(xiàn)

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[2] GB /T 16938-2008—緊固件通用技術(shù)條件[S].

[3] GB 700-88—碳素結(jié)構(gòu)鋼國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB/T3880.2-2006—鋁合金國家標(biāo)準(zhǔn)[S].